卷绕vs叠片电池热失控传播差异

卷绕vs叠片电池热失控传播差异实验研究

分类：实验案例 | 后缀：qvmoxVPJ | SEO标签：卷绕叠片对比, 热失控传播, 电池结构安全, ARC测试, 热传播速度

摘要：卷绕和叠片是锂电池两种主流制造工艺，不同的内部结构导致其在热失控行为上存在显著差异。本文基于实验对比研究数据，从触发温度、触发时间、热传播速度三个维度量化分析两种结构的热失控特征。实验表明叠片电池热失控触发温度更低但传播速度显著慢于卷绕结构（约0.29mm/s vs 1.19mm/s），揭示了层间界面在抑制热传播中的关键作用，为电池安全结构设计提供了方向性参考。

[图片：卷绕结构与叠片结构电池内部截面示意图，标注热传导路径差异]

一、研究背景

卷绕（Winding）和叠片（Stacking）是锂离子电池制造中的两种主流工艺路线。卷绕工艺将正负极片和隔膜按顺序卷绕成圆柱或方形的卷芯，工艺成熟、生产效率高；叠片工艺则将正负极片交替堆叠，具有更高的空间利用率和更均匀的电流分布。

两种工艺不仅在电化学性能上存在差异，在热安全行为方面也表现出显著不同的特征。当电池发生热失控时，火焰和高温气体从触发单元向相邻区域传播的速度直接决定了事故的严重程度——传播越快，留给BMS预警和人员逃生的时间越短。因此，理解两种结构在热失控传播行为上的差异，对于电池安全设计具有重要价值。热安全团队（thermsafe.cn）在锂电池ARC热失控测试领域积累了丰富的实验数据，可对不同结构电池的热安全性能进行系统评估。

二、实验方案

研究中选取同规格、同化学体系的卷绕电池和叠片电池，在ARC绝热环境中进行热失控触发实验：

实验参数卷绕电池叠片电池
触发方式加热触发加热触发
测试环境绝热加速量热仪（ARC）绝热加速量热仪（ARC）
测温方式多通道热电偶，沿电池长度方向等间距布置多通道热电偶，沿电池长度方向等间距布置
数据采集实时记录各测温点温度-时间曲线实时记录各测温点温度-时间曲线
分析指标触发时间、触发温度、传播速度触发时间、触发温度、传播速度
[图片：实验装置示意图，标注热电偶布置位置和加热位置]

三、实验结果对比

实验揭示了两种电池结构在热失控行为上的显著差异：

对比维度卷绕电池叠片电池差异分析
触发时间 约1336s 约642s 叠片触发更快，可能与内部热接触路径更短有关
触发温度 约104.5℃ 约81.7℃ 叠片触发温度更低，接近SEI膜分解温度下限
热传播速度 约1.19mm/s 约0.29mm/s 叠片传播速度仅为卷绕的约24%，抑制效果显著
传播模式 沿卷绕方向连续快速传播 层间逐层跳跃式传播 叠片层间界面成为热传播屏障

四、差异机理分析

两种结构热失控行为的差异根源于其微观热传导路径的不同：

4.1 卷绕结构

卷绕电池中，正极-隔膜-负极连续卷绕形成螺旋或方形卷芯。沿卷绕方向，极片和集流体是连续的，它们的高导热性为热量提供了快速传导通道。一旦某处触发热失控，热量可沿卷绕方向迅速向相邻区域蔓延，传播速度较快。

4.2 叠片结构

叠片电池中，正负极片交替堆叠，每层之间由隔膜分隔。相邻叠层之间的热传导需要穿越隔膜和电极材料的层间界面，这些界面的热阻显著延缓了热量传递。因此，虽然叠片电池的热失控触发更早（触发温度更低），但触发后的热传播速度明显慢于卷绕。

4.3 工程启示

这一对比研究为电池安全设计提供了重要启示：

  1. 层间界面是抑制热传播的关键屏障——增加层间热阻可有效减缓热传播，为BMS安全响应争取时间
  2. 触发温度并非评价安全的唯一指标——叠片虽然触发温度更低，但整体安全风险（热传播速度）反而更可控
  3. 结构设计需综合考虑触发与传播两阶段——延迟触发和提高传播阻力同等重要

五、对电池设计的指导意义

设计方向卷绕电池优化建议叠片电池优化建议
热传播抑制在卷绕结构中引入层间隔热材料，阻断沿卷绕方向的热量传导进一步优化层间热阻设计，在不影响电性能前提下最大化热传播延迟
触发延迟选用热稳定性更好的电解液和隔膜材料，提高SEI膜的热分解温度重点优化SEI膜的热稳定性，将触发温度向更高方向推移
散热路径利用卷芯端面（集流体截面）作为高效散热通道利用叠片的大面积平面作为散热面，配合高导热界面材料

六、结语

卷绕与叠片电池在热失控行为上的差异，本质上是两种结构在热传导路径和层间界面热阻方面差异的宏观表现。这一认知对电池安全设计具有重要指导意义：热失控防护不应仅聚焦于防止触发，更应重视触发后的热传播抑制。热安全团队（thermsafe.cn）通过ARC热失控测试和针刺热失控实验，系统评估不同结构电池的热安全性能，为电池产品的安全设计优化提供数据支撑和工程建议。

参考文献：本文章素材来源于卷绕与叠片电池热失控对比研究文献及ARC测试相关技术资料，经整理脱敏后编撰。

热安全团队（thermsafe.cn）提供锂电池HWS热失控测试（绝热加速量热仪ARC）、锂电池宽温域变温比热容测试（差示绝热追踪法）、绝热环境锂电池充放电产热测试、锂电池失控产气测试、方壳/硬壳电池导热系数测定（两状态法无损测试）、锂电池ARC过充热失控测试（电滥用触发）、硬壳/方壳电池导热系数及接触热阻参数测定（储热-释放两状态法）、GB/T 36276电池绝热温升测试、ARC针刺热失控等专业服务。了解更多项目详情，请访问 https://thermsafe.cn/services.html。